新方法使整个电池组的电流分布更加平滑，从而有助于减轻组成电池中不必要的热点形成
作者：Interplex能源系统产品经理Till Wagner
 
电池组是所有电动汽车（EV）中最重要的部件。正是通过这种方式，动力传动系所需的电力才得以供应。电池也是电动汽车中最昂贵的部分，对其整体材料清单（BoM）成本有重大影响。因此，确保其长期运行至关重要。下面的文章将探讨互连在延长电池组寿命方面将发挥的作用。
汽车制造商在开发电动汽车车型时需要解决几个关键目标。按照优先顺序，它们是：
 

1. 降低BoM成本。目前，电动汽车比同等级别的内燃机汽车贵得多，事实证明，这对大部分购车大众来说仍然是个问题。如果汽车制造商要最大限度地减少这种价格差异的影响，那么就需要尽可能节省生产和原材料成本。

 

2. 在需要充电之前延长车辆的行驶距离，以减轻购车者的“里程焦虑”，即他们可能在到达有充电点的地方之前耗尽电池电量。电动汽车能够达到的续航里程将由电池组的储能容量和车辆的重量决定。拥有更大、更高密度电池组以及更轻结构的车型将具有明显的优势。这些特性将有助于延长支持的续航里程，为用户提供更大的便利（不必经常给车辆充电），并提高电动汽车的市场吸引力。

 

3. 保持电动汽车中使用的电池组处于良好的健康状态，因此需要很长一段时间才能更换。由于电池在车辆总拥有成本（TCO）中占相当大的比例，车主希望避免过早更换电池。此外，如果他们的汽车电池寿命相对较短，这将严重影响汽车制造商的声誉。

电池类型
在电动汽车中，储能的基础依赖于电池。这些电池堆叠在一个模块内，多个模块包含在一个电池组内。电动汽车电池组中可以使用三种基本形式的电池，即：

1. 圆柱形——它们的形状有助于最大限度地减少应力和内部压力，包括防止膨胀。基于目前的组件，它们使用最小类型的电池。这意味着需要更多的连接来填充一个模块，因此，将强制要求更多的连接。
2. 棱柱形——这些是封闭在刚性外壳中的矩形电芯，通常比圆柱形电芯大。更重要的是，需要更少的连接（因此需要更少的焊接工作）。这意味着它们与汽车制造商希望实施的精简电动汽车生产程序更加一致。
3. 软包/聚合物——这些电池与棱柱形电池非常相似。主要区别在于，它们不是被封闭在刚性外壳内，而是被密封在层压箔袋内。提供了以各种不同形状生产的能力，软包/聚合物电池实现了更高水平的包装效率。不过，它们确实有缺点，包括容易膨胀，而且外部被刺穿或损坏的风险更大，因此需要一个坚固的外壳结构来保护它们。

电池模块开发
电池行业目前正在稳步减少电动汽车电池组中的模块数量。现代电池包通常只包括几个模块，每个模块内都包含许多电芯。这样做有助于增加电池存储容量（因为冗余空间更少），同时降低电池组的复杂性，降低生产成本。随着时间的推移，这将导致采用“电池-电池包”的安排，根本不涉及任何模块。这将消除占用空间的组件，然后可以将其分配给更大的存储空间，并使电池包更轻。随着时间的推移，这种变化将与大型电池实体的安全方面进行仔细平衡。
模块和电池组中的电池如何连接到其附属设备可能会产生严重影响——不仅与系统的有效性有关，还与相关的制造成本有关。所选的互连解决方案需要多种特性的组合，从而有利于电动汽车的部署。
传统的电动汽车电池模块互连组件通常由铝基合金制成，因为这比铜基合金更具成本效益，而且更轻。对于某些电芯类型，它们可能非常复杂，需要多层结构，并且具有厚度差异很大的元件。金属厚度的变化以及电流如何通过互连导致电流密度分布以及相应的热分布缺乏均匀性。
没有均匀的能量密度分布，并产生不必要的热点，将对电池组的寿命产生连锁反应。这种不一致性将导致某些电芯比预期更早衰老的可能性增加。一个电池的性能差不多只能和电池中效率最低的一样，所以如果其中几个电池开始老化得太快（并且它们所能处理的充电状态降低），那么在需要之前，整个模块都需要更换。
尽管有电池平衡的方法，补偿性能较差或连接较差的电池。然而，在现实世界中，平衡是有限的，尤其是随着电池组越来越大，每个模块的电池数量也在增加。



图1：采用Interplex Cell PLX™的电池组组件互连技术
 
电芯互连优化
Interplex Cell PLX™ 电池互连系统能够支持基于圆柱形和棱柱形电池的电动汽车电池模块，电池连接采用激光焊接。这是一种独特的方法，可以在连接的所有电池中保持电流密度的一致性。结果是，它对单个电池施加的压力要小得多，


图2：Interplex开发的专有U-Turn设计在电动汽车电池互连中提供了更好的电流密度和温度分布
通过利用精密工程，可以在所需区域改变互连的厚度，例如，电芯接线片中的材料更少，主电流路径中的材料更多。因为它更薄，节省了一层，留下了更多的储能空间。此外，需要更少的金属导体材料，这意味着需要耗散的热量更少。
无法有效散热会给电池带来更大的压力，加速电池报废的速度。尽管其他互连解决方案可以通过增加额外的绝缘来解决热量问题，但这只会增加BoM的成本。否则，唯一的其他热管理选项将是强调冷却系统。这可以通过一个占用空间的更大的冷却系统来实现，也可以用更大的功率运行。无论哪种方式，都会消耗更多的电力，这意味着可用于推进的电池电量会减少（车辆可覆盖的里程也会减少）。


图3：传统电动汽车互联和使用U-Turn技术的电动汽车互联中电流分散的比较
 
获得专利的U-Turn技术实现了更均匀的电流密度分布。因此，可以减轻模块内热点的形成。标准互连使用额外的回流母线（代表一个单独的层和一个产生额外热量的源）。相比之下，使用U-Turn，当能量流从正极端子移动到负极端子时，能量流的组织明显更好，并且只需要一个单独的导体层，这也有利于散热。该解决方案具有完全可扩展性，可以处理任何尺寸的模块和电池组。它也完全适用于汽车行业的大批量制造需求。
 
结论
如果电动汽车车型要对购车市场具有吸引力，拥有持久的电池资源无疑至关重要。因此，最大限度地延长电池组中单个电池的寿命是至关重要的。现有电池互连所表现出的不均匀电流和热量分布有助于使电池以更快的速度接近报废，并不必要地推高生产和材料成本。
迁移到更好地优化互连策略，应用于模块或电池组级别，将为汽车制造商带来许多宝贵的好处。使用正确的技术将产生只使电芯承受相同应力的互连，从而使它们以大致相等的速率老化。同时，它们也将更简单、成本更低。
 
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